2020 年 1 月，一加首款概念机 Concept One 正式发布，其中采用一项新的科技——电致变色技术引起了大家的关注。2020 年 12 月，OPPO 推出的 Reno5 Pro+ 手机也采用了电致变色技术，通过轻轻敲击手机后盖，可实现本机变色，让用户自己定义手机后盖颜色。为了提高手机的科技感和用户使用体验，电致变色手机已然成为各大手机厂商争夺占位的热点，这使得电致变色技术能够更普遍地进入大众视野中。
实际上，在进入手机领域之前，这项技术已经在其他领域有所应用，其中知名度最高的是波音 787 的电致变色舷窗，但该项技术并未普及，关注的人群多为相关领域人员。如果解析这些产品，会发现实现变色功能的是一个由多层材料构成的结构单元，这个结构单元就是我们所说的电致变色器件，典型的电致变色器件的结构是由透明基板、透明导电层、电致变色层、电解质层、离子存储层依次叠加构成的三明治结构 [1]。除去透明基板，其他膜层的厚度在几百纳米左右，整体厚度为 1 ～ 2μm，还不到人类头发丝直径的 1/10，其中电致变色层和离子存储层均由电致变色材料构成，是器件实现变色的功能材料，决定了器件的变色特性。
在电致变色技术领域，对电致变色材料的定义是在外电压驱动下，其光学属性（透过、反射或吸收）发生可逆和持久稳固的变化，外观上表现为颜色变化的材料。关于电致变色的起源，可追溯到 20 世纪 60 年代，Deb[2] 于1969 年首次发表了关于三氧化钨（WO3）薄膜形貌的文章，发现其具有电致变色性能，并提出了“氧空位色心”机理。20 世纪 70 年代出现了大量关于无机电致变色材料和变色机理的报告，Malyuk[3] 等人在 1974 年的文章中引用了关于电致变色氧化铌（NbO）薄膜的苏联专利，这将电致变色首次发现的时间推回到了 1963 年。在此时期，电致变色技术瞄准的市场目标是在显示器领域中的应用，但它的响应速度慢、色彩度无法满足显示技术的要求，所以当液晶显示器开始出现后，人们对电致变色的兴趣逐渐减弱。到了 20 世纪 80年代，有机电致变色材料的报道大幅出现，与无机电致变色材料相比较，有机电致变色材料（包括金属螯合有机材料）容易进行分子设计，颜色变化种类多，变色响应速度快，但是离显示技术的要求还存在一定差距。
1984 年，美国科学家 Lampert 和瑞典科学家 Granqvist 提出了一种以电致变色膜为基础的新型节能窗，即灵巧节能调光窗（Smart window），并首次进行了试验探索 [4]，电致变色技术在建筑物门窗中的应用使得人们对该项技术的兴趣飙升，在电致变色技术发展中具有里程碑的意义。为了提高舒适度，窗户面积越做越大，在一些商业建筑中，窗户占据的面积与墙体面积相当，有很大一部分能源通过玻璃扩散产生能源浪费。将电致变色技术应用于建筑窗户，人们可以根据需求改变窗户的颜色，从而调控太阳光入射量，大幅度降低室内控温设备的能耗，从而提高能源利用效率，既符合降低窗户能耗的市场需求，同时也满足人们对室内舒适度的需求。
随着技术的发展，陆续出现了其他变色调光技术，如 Low-E 膜、悬浮粒子变色（SPD）、分散型液晶变色（PDLC）、光致变色等，所以电致变色技术在发展过程中充满了挑战。它能够披荆斩棘，乘风破浪地向前发展，主要得益于电致变色材料具有的动态 / 无级调节光波、智能可控、低能耗的变色调光特性（图 1），这些特性使得电致变色技术在一些应用领域中具有明显优势。
前面讲到将电致变色技术应用于建筑窗户，人们可以选择性地调节室外光线到室内的辐射量，起到节约能源的效果。Low-E 膜也可应用于建筑物的 窗户，通过反射红外光、透过可见光也能起到隔热透光的效果。电致变色材料与 Low-E 膜区别在于通过着色和褪色之间可逆转换，来动态调控穿过窗玻璃的光线，Low-E 膜调光模式可以看作是静态的。相对于 Low-E 膜，电致变色材料组装的器件更能达到按需节能、提高室内舒适度的效果。
SPD 和 PDLC 技术也是需要电源驱动变色调光的 [5-7]，两者的变色原理类似，在一直施加电压的条件下，呈透明状态，一旦撤掉电压，就变成雾化状态。其中，PDLC 发展较为成熟，在商场、地铁、医院等很多地方都能看到它的身影。而电致变色技术能够从中占有一席之地，一方面得益于电致变色材料具有无级调光特性，而且对红外光波也能调控，调节颜色深浅和光学吸收强度，可在最小和最大吸收之间调节到任何水平，所以能够将变色过程分为多个挡位进行控制。例如，波音 787 的电致变色舷窗可以实现 5 挡调节，乘客可以根据需要调节飞机舷窗的亮度，进一步提升舒适度。另外，整个变色过程均是可视状态，无雾化状态，不阻挡窗外视野，使得工作环境更加舒适。SPD 和 PDLC 变色技术的调光是瞬发的，在调制过程中具有一定的雾度，对红外区域的限制很小。基于以上几点，电致变色技术不仅可以与 PDLC 并驾齐驱，而且能应用在一些对玻璃雾度有要求的场合。
电致变色材料需要电源来驱动变色，而人们对电的掌控已经得心应手，可以通过电路设计和软件设计，使得变色过程更加智能化、更加随心所欲。常见的变色技术还有光致变色、温致变色、热致变色、气致变色等，这些变色技术需要光、温度、热量、气体来驱动变色，而这些激发源的可控性、操作性差很多，所以相对于其他变色技术，电致变色技术更加智能可控。
电致变色材料是怎样实现变色功能的呢？首先，材料在变色过程中需要电子和离子同时参与，所以需要和其他材料（前面所讲的透明导电层、电解质层、离子存储层）相互配合才能完成变色功能。所以在实际应用中，采用的是电致变色器件这一变色基本结构单元，材料在器件中是以薄膜形式存在的。电致变色材料的变色过程就是器件的变色过程，在外加电压的驱动下，电子和离子从外电路和电解质层中同时嵌入或脱出电致变色材料，器件外观上会发生颜色变化，而且这一过程是可逆的。如果进一步深究材料的变色原理，我们知道涉及颜色变化，总离不开电子能级跃迁、光子吸收或发射这些物理过程。电致变色材料种类丰富，如果按照材料类型进行分类，电致变色材料可分为三大类：第一类是无机电致变色材料，如过渡金属氧化物；第二类是有机电致变色材料，包括有机小分子和聚合物材料；第三类是有机金属螯合物材料。不同种类材料的变色原理和过程是有一些差别的，如图 2 所示。
无机电致变色材料主要是过渡金属氧化物，按照着色的方式可以分为阴极着色材料（还原着色，如 W、Mo、Nb、Ta、Ti 等氧化物）和阳极着色材料（氧化着色，如 Ni、Co、Rh、Ir 等氧化物）。这些氧化物是怎么表现出电致变色性质的呢？以 WO3 薄膜为例。最早发现具有电致变色现象的材料是WO3 薄膜，也是迄今为止研究最广泛、最成熟、最具有应用前景的材料。用解释其变色原理的模型有电化学反应模型、色心模型、价间跃迁模型、极化子模型、能级模型和配位场模型 [8]，讨论最多的为价间跃迁模型。该模型认为当 WO3 薄膜外加负向电压时 , 电子和阳离子同时注入薄膜中，阳离子通常选择的是离子半径较小的质子（H+）或锂离子（Li+），更容易在材料中穿梭。电子进入 W6+ 的 5d 轨道 , 被 W6+ 俘获 , 形成定域态的 W5+，阳离子起到平衡电荷的作用。因此，薄膜中同时存在 W6+ 和 W5+，处于 W5+ 晶格位置的电子将吸收光子能量而处于激发态，跃迁至 W6+ 晶格位置 , 从而引起材料光吸收的改变，薄膜呈现蓝色。当施加反向电压时，电子和阳离子同时从薄膜两侧抽出，蓝色消失，薄膜重新回到无色透明状态。无机电致变色材料调控的波段范围宽，对可见光和红外波段均有明显的调控作用。
在有机小分子材料中，研究最为广泛和成熟的是紫罗精类材料 [9]。这类材料在中性状态下颜色较浅，在施加正电压的情况下，发生氧化反应，最终形成稳定的二价阳离子，处于透明状态；施加负电压，部分二价阳离子还原成单价阳离子，分子间产生强烈的电子转移，同时伴随着光吸收，材料发生着色反应，主要调控可见光波段中的部分区域。紫罗精的响应时间为毫秒级，循环次数在 105 次以上，已广泛用于汽车后视镜和各种显示器中。
聚合物电致变色材料主要是一些结构稳定的杂环芳香族材料，如噻吩、吡咯、苯胺、呋喃、咔唑、吲哚等。相比于无机电致变色材料，有机材料的能隙较小，可以进行分子结构设计，易于实现能隙的调节，表现出丰富的颜色。其中，基于二氧噻吩结构单元的一系列共轭聚合物材料，通过调节结构单元中的取代基，并且组合不同单元结构实现红、橙、黄、绿、青、蓝、紫颜色的调节，如图 3 所示 [10]。变色反应主要是由共轭结构中电子能隙发生变化引起的，最高占据分子轨道（HOMO）构成价带，最低未占分子轨道（LUMO）构成导带，电子从价带跃迁到导带时会产生光吸收，呈现出与吸收波长相反的颜色。HOMO 和LUMO 能级之间的能隙（Eg）大小决定了聚合物的颜色，在外电压的驱动下，离子和电子在高分子链中进行可逆的迁入和迁出，该过程改变了 Eg 大小，从而调节吸收光波长，外观上表现为颜色变化，由于掺杂浓度不同，某些共轭聚合物能在多种颜色之间转换。大部分聚合物电致变色材料是阴极着色的，中性态在可见光区域有吸收，呈现出颜色，氧化后无色。
有机金属螯合材料由位于中心的金属原子和有机配位物构成，变色过程中有多个氧化还原过程，包含金属原子和配位物自身的氧化还原，所以这类材料颜色丰富，能实现多颜色的变色过程，吸收波长范围大，紫外和红外区域都有吸收，但其结构复杂，制备过程烦琐，稳定性较差，成本高，实用性有待提高。总体来讲，有机电致变色材料易进行分子设计，颜色丰富，但只对可见光波段区域的某些波段具有明显的调控作用，而且抗水氧及紫外性较差。无机电致变色材料，调控波段范围大（红外也能调控），耐候性好，但变色速度慢。根据材料各自不同的变色特性，可应用在不同领域。
随着电致变色技术的发展，电致变色产品已经悄悄出现在我们的生活中，就像前面提到的智能窗，就是将电致变色技术应用在建筑窗中，虽然在 20 世纪 80 年代已经提出了智能窗的概念并进行了试验，由于其技术壁垒高，2000 年以后才有相关产品出现，美国 SAGE 公司首先开发了电致变色智能窗产品（图4），其技术处于国际领先水平，是迄今为止最合适的建筑变色窗，已经实现了小范围的应用，腾讯北京总部大楼的部分窗户就使用了电致变色玻璃。电致变色窗的特点是节能、舒适，能够根据日照角度、四季变化调控颜色变化，动态调控外部进入室内的光线，而且不阻断户外景观，提高了内部人员的舒适度，所以一般采用对可见光和红外波段均有明显调控功能的无机电致变色材料制备。
电致变色技术，另一个重要的应用领域是在交通工具的透明件中。2005 年1 月，法拉利 Supermarica 敞篷跑车的风窗玻璃和顶棚玻璃采用了电致变色技术，车内人员可以随心所欲地调节车窗的颜色，控制进入车内的光强，而又不阻挡视野。2007 年，波音 787 客机观察窗淘汰了机械式遮阳板，采用了GENTEX 公司的电致变色技术，乘客通过触动按钮调整由暗到亮五个不同级别的亮度，减少机舱内太阳光及热发散量，提高乘客的舒适度。一些高档汽车的后视镜也采用电致变色技术，可减少强眩光对驾驶员视线的影响，提高驾驶安全性，如图 5 所示。
将电致变色技术应用在雪镜中，可以起到保护眼睛的作用。例如，在雪地中存在非常刺眼的情况，可将雪镜的颜色调深，减弱光强。Oaklley 研发了电致变色雪镜（图 6），三挡颜色可调，可以调整灰阶、定制透过率，完成变色后不需要电压维持。当然目前的产品还存在镜片浅色状态不够浅、响应速度稍慢、定价过高等问题，一旦阻碍电致变色技术普及的因素不存在，相信雪上运动会掀起一场电致变色雪镜普及的风暴。
虽然液晶显示器已经占据了电子显示技术的主要市场，但是由于电致变色技术不需要背光源，在电子标签、电子纸、电子二维码等电子显示上具有明显的应用优势。2013 年，RICOH 公司展示了基于电致变色技术的 3.5in 全彩电子纸。东华大学材料科学与工程学院王宏志研究团队与美国佐治亚理工学院王刚博士 ( 现美国西北大学博士后 ) 合作，成功制备了多彩电致变色显示器件，并应用于共享单车的可隐藏智能二维码中，这也证明了电致变色技术在物联网电子器件领域的发展潜力。另外，还有前面曾经提到的，OPPO 推出Reno5 Pro+ 手机后盖也采用了电致变色技术，让用户自己定义手机后盖颜色，提高了手机的科技感和用户使用体验，如图 7 所示。但电致变色技术在电子产品中的应用还有很多技术问题尚需解决，所以仍旧充满了各种挑战。
电致变色材料作为一种变色调光的智能材料，在很多领域已经崭露头角，目前，实现应用的领域主要有防眩目后视镜、电致变色窗户、汽车天窗、飞机舷窗、部分电子产品，但由于还存在一些技术问题需要进一步解决，并未实现大范围的应用，所以适应市场需求、扩展电致变色技术应用范围在未来将成为热点。 参考文献从略。
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